变电站老旧混凝土构架的加固设计的研究

李文胜，陈适之，聂铭，许心怡，詹清华，刘昊

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096)



变电站老旧混凝土构架的加固设计的研究

李文胜1，陈适之2，聂铭1，许心怡2，詹清华1，刘昊1

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096)

以变电站老旧混凝土构架为研究对象，对老旧混凝土构架现有存在问题及其成因做了简要总结，并对现有的可应用于问题构架的加固方法做了归纳与分析，提出几种具有较好应用前景的新型加固方法。最后结合现有加固技术及新型加固技术的优劣性和适用性，按照实际加固需求，提出老旧混凝土构架的整体加固方法，可大大提高变电站的可靠性和使用寿命。

变电站混凝土构架；病害及成因；新型加固方法；加固设计

1　变电站钢筋混凝土构架现有问题及成因分析

1.1存在的问题

2014年广东电网有限责任公司(以下简称“广东电网”)对所属变电站钢筋混凝土构架进行了专项核查，归纳变电站钢筋混凝土构架普遍存在的问题有混凝土表面碳化、混凝土保护层涨裂剥落、宏观可见裂缝、钢筋外露及锈蚀、牛腿开裂、预埋件及爬梯锈蚀[1-2]等，这些问题将严重影响构架可靠性、安全性及使用寿命。

混凝土结构裂缝是一个常见的问题，包括如图1(a)所示的纵裂缝和如图1(b)所示的横裂缝。

图1　混凝土结构裂缝

工程的破坏与倒塌很大程度上都是从裂缝的扩展开始，虽然某些裂缝没有达到使混凝土结构倒塌的危险程度，但是在使用条件及所处环境的作用下，如日照、潮湿、雨雾、工业污染气氛、沿海氯离子侵蚀等，裂缝将不断扩展，引起结构、性能持续劣化，并伴随混凝土保护层脱落、钢筋锈蚀、混凝土碳化等，影响构架使用寿命。

泥乔变电站混凝土保护层涨裂脱落情形如图2(a)所示，这是一个比较严重的问题，缓慢发展将逐步降低对钢筋的保护能力，甚至造成钢筋锈蚀外露，进一步劣化混凝土性能。大涌变电站钢筋锈蚀情形如图2(b)所示，它将造成钢筋截面减小、混凝土出现锈涨裂缝、钢筋混凝土构件中钢筋的粘结锚固性能下降等问题，直接导致钢筋混凝土构件承载力显著降低。

图2　混凝土保护层涨裂脱落钢筋锈蚀情况

李文胜，等：变电站老旧混凝土构架的加固设计的研究预埋件及爬梯锈蚀也影响构架质量和安全性。构架横梁挂钩是用于悬挂绝缘子和导线的重要受力点，长期受风载与环境影响，如挂钩锈蚀(引起承载力下降)、悬挂点附近的混凝土保护层剥落、出现裂缝，将降低挂钩与构架横梁之间连接的安全性和可靠性，严重导致挂钩失效脱落，进而造成绝缘子和导线脱落，影响变电站安全运行。

1.2成因分析

1.2.1构架先天质量问题

钢筋混凝土构架制作、养护过程中质量把关不严，给全站的构架留下了先天质量隐患，达不到原设计和规范要求，主要问题有水泥用量偏少；混凝土拌合、震捣、养护不充分、不均匀；钢筋的布设、绑扎位置和尺寸不准确，偏差大，混凝土保护层厚度普遍不够，甚至没有保护层等。这些质量问题不仅直接造成了钢筋混凝土构架质量差、强度低、强度离散性大，而且为今后构架运行中遭遇其他因素破坏和加速老化、破损等埋下了祸根。

1.2.2构架使用接近设计使用年限

根据GB 50068—2001《建筑物可靠度设计统一标准》中第1.0.5 条规定：对易于替换的结构构件设计使用年限为25 年。通过核查，存在评估需求的变电站建成投运年代主要在1990年前后，因此变电站持续运行已20多年，钢筋混凝土构架使用时间接近设计使用年限。

1.2.3周边环境污染加剧构架的腐蚀

广东省沿海环境湿热，随着工业污染、大气污染的不断产生，变电站周边环境不断恶化，加剧钢筋混凝土构架的腐蚀。

1.2.4未对构架采取补强措施或补强措施不足

大部分有评估需求的变电站投产至今，并未对变电站内其他的构架进行过加固补强措施，最多只进行刷涂处理，本质上构架结构的耐久性并没有得到改善和加强；某些变电站可能经过防腐补强处理，安全性和耐久性暂时得到满足，但经过10年、20年的运行，又暴露出其他问题。

2　现有加固技术与应用

根据现有结构的常用加固方法，结合变电站老旧混凝土构架的结构类型，将可应用的加固方法简要归纳如下，并对适用性及其优劣做简要分析。

2.1增大截面法

增大截面法是南方变电站加固过程中取得良好效果的补强模式方法，是对构架进行凿补和多层防水涂膜及用钢筋混凝土(加高级防渗材料)的补强，是一种传统的加固方法。通过增大构件的截面面积提高原构件的刚度、承载力、稳定性、抗裂能力等受力性能，适用于钢筋混凝土受弯和受压构件的加固。加固后结构的耐腐蚀性及耐久性好，使用寿命长，该方法经验成熟，实用性和可靠性强，但施工操作较难，施工工期长，停电周期长，影响构架的正常工作，带来较大的经济损失。

2.2外包型钢加固法

外包型钢加固法是在构件4个角部外包型钢,并通过钢缀板和型钢的焊接，使型钢和构件紧紧贴在一起，按其与原构件连接方式分为外粘型钢加固法和无粘结外包型钢加固法，适用于不允许增大原结构构件截面面积，又需要大幅度提高截面承载能力和抗震能力的钢筋混凝土柱及梁的加固[3]。外粘型钢加固法能使钢架和原构件共同受力，承载力提高显著；而无粘结外包型钢加固法中，两者单独受力，但施工简便，适用于快速补强。该加固方法受力可靠，施工速度快，但用钢量较大，后期需进行防锈处理，且不宜在无防护的情况下用于高温场所。

2.3粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是在需加固的钢筋混凝土构件外表面，采用特制的建筑结构胶粘贴钢板，使钢板与混凝土构件整体工作共同受力，限制混凝土构件的裂缝发展同时，提高混凝土构件的承载力和变形能力[3]，这是一种传统的加固方法，适用于对钢筋混凝土受弯、大偏心受压和受拉构件进行加固。由于外粘钢加固法具有施工方便、施工工期短、工艺简单、钢板体积小、干扰性小但加固补强效果明显等特点，大量应用于建筑、桥梁、水利水电等土木工程领域，但是存在钢板容易剥离、应力滞后的问题，而且钢板自重较大，加固后需要对钢板进行防锈处理。另外，在加固时需要在构件上进行钻孔锚固，在一定程度上增加梁构件损伤。

2.4粘贴纤维复合材料(碳纤维)加固法

粘碳纤维加固方式是目前变电站加固过程中较受欢迎的加固技术，是利用改性环氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于构支架柱、横梁等构件表面，从而达到结构补强及改善受力性能的目的，适用于钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压及受拉构件的加固。碳纤维力学性能优异，粘合性良好，自重小，具有较强的耐腐蚀及耐久性，因此该方法施工方便，工期短，加固后结构的耐腐蚀性及耐久性好，能显著达到加固补强的效果，但是该加固效果要以构件较大的变形为代价，由于存在二次受力，碳纤维在混凝土中的钢筋屈服前几乎不参与工作。粘碳纤维加固法在无附加锚固措施时，容易产生剥离破坏；碳纤维粘结胶粘剂受时间、环境湿热等因素影响[4-5]。

现有加固方法具有施工速度慢、耗材量较多或者易发生黏结破坏、不能充分发挥加固材料的作用等缺陷，所以还需开拓其他新型加固方法。

3　新型加固技术

3.1FRP网格-外加聚合物砂浆面层加固法

预浸纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)网格筋是一种纵横正交筋所组成的纤维网格，将碳纤维(carbon fiber, CF)、玻璃纤维(glass fiber, GF)等高性能连续纤维浸渍于耐腐蚀性良好的树脂中，形成整体的网格状物。FRP网格-外加聚合物砂浆面层加固法是先通过机械锚固FRP网格于构件表面，再增加一层聚合物砂浆保护层，使受力传递更加均匀。该方法材料轻便，耐锈蚀，双向受力，施工方便，能明显提高构件的抗弯承载力，在锚固充分的条件下不易发生剥离破坏，有一定的抗剪性能[6]。FRP网格-外加聚合物砂浆面层加固法结构如3所示。

图3　FRP网格-外加聚合物砂浆面层加固法结构

3.2外贴预制装配式构件加固法

外贴预制装配式构件加固法是先将预制构件进行工厂化生产，然后现场拼接后利用粘结材料连接，从而简化现场施工复杂程度，加快施工速度。实验证明，若保证施工质量，外贴预制装配式构件基本能达到现浇构件的承载力和变形要求。另外，由于预制构件在预制厂加工，现场只是装配、灌浆，现场施工时间少，施工一般在外部进行，对建筑物功能的正常运行影响甚微。这种预制构件加固技术对我国建筑产业化，建筑工业化改革也有很大的促进作用，具体结构如图4所示。

图4　外贴预制装配式构件加固法

3.3预应力高强钢丝绳加固法

预应力高强钢丝绳加固法是利用传统的高强镀锌、不锈钢钢丝绳，巧妙施加预应力对混凝土结构进行抗弯、抗剪、抗震加固的新方法，是一种“主动式”加固方法[7]，其结构如图5所示。

图5　预应力高强钢丝绳加固法

预应力高强钢丝绳加固法能大幅度提高原有结构的承载力、刚度，有效改善变形性能，减小裂缝宽度，施工方便，成本低，避免了加固材料的粘结破坏，充分发挥了加固材料的强度，另外，相比于体外预应力加固技术，锚具受力均匀，钢丝绳外部的防护砂浆也使钢丝绳得到保护[8-9]。

4　整体加固思路设计

由于变电站钢筋混凝土构架加固的必要性，针对现有问题，并结合现有加固技术以及近几年的新型加固技术，提出了对变电站整体加固的思路设计，包括复原修复处理与加固方案确定两个层面。

4.1复原修复处理

在考虑采取加固技术方案之前，必须要对变电站构架进行复原修复处理。对构架现存3个大问题——混凝土表面宏观裂缝、钢筋及钢构件锈蚀以及混凝土保护层剥落等构架缺损问题，分别提出相应的复原修复措施。

4.1.1混凝土表面宏观裂缝处理

对于混凝土表面裂缝进行裂缝修补，应注意修补方法、修补材料及修补时间。对裂缝宽度ω≤0.2 mm的微细裂缝和非贯穿结构性裂缝应采取表面封闭法处理；对贯穿性裂缝和ω>0.2 mm的结构性裂缝应采取压力注浆法处理。表面封闭法是用增强塑料、胶泥和涂料等进行封缝；压力注浆法是以一定的压力将低黏度、高强度的裂缝修补胶液或水泥浆液注入裂缝腔内，达到填充密实的效果。对影响结构、构件承载力的裂缝或缝隙修补后，必须进行检测，确定修补质量是否满足设计要求。

4.1.2钢筋及钢构件锈蚀处理

钢筋或钢构件出现锈蚀应进行除锈，选择除锈方法时应注意不同的除锈方法及其不同的使用条件。对于锈蚀钢筋的处理，应先将钢筋表面的锈层打磨或清刷干净再进行防锈施工，钢筋的锈蚀面积超过原面积的8%时，必须补配钢筋或采取其它加固方法加固处理。对除锈后的混凝土表面涂刷防护材料，并对钢筋混凝土构件喷涂阻锈剂，喷涂前应仔细清理混凝土的表层，并剔凿、修复局部劣化的混凝土表面，然后进行连续喷涂，最后对锈蚀钢筋或钢构件的修复进行质量检查。

4.1.3混凝土保护层修复处理

变电站钢筋混凝土构架表面剥落损伤主要是内部钢筋锈涨所致，修补方案应根据缺陷和损伤的程度制定。对于空蚀破坏的修复，应加强修补面的体型控制，严格控制表面不平整度；对于钢筋锈蚀引起混凝土剥蚀的修补方法包括剥蚀混凝土修补、涂层保护和使用阻锈剂等。

混凝土构架缺损和损伤修补后，根据防护设计的不同要求，可采用憎水浸渍、防护涂层或表面覆盖等方法进行表面防护，并应满足渗透性、抗侵蚀性、钢筋防锈性、裂缝桥接能力及外观等性能要求。最后对损伤修补后的混凝土构件进行质量检查。

4.2加固方案确定

对变电站钢筋混凝土构架复原修复处理后，应根据构架的安全和耐久性要求、构架的缺陷情况及施工的可行性，确定合理的加固方案，其原则应保证新增构件和部件与原结构连接可靠，新旧截面黏结牢固，形成整体共同受力。根据变电站钢筋混凝土构架构件及节点损伤情况，将构架损伤情况分为以下一般损伤、中度损伤、严重损伤3类。

a) 构架构件及节点发生一般损伤时，可仅对构架构件采用表面阻锈处理，涂刷防护面层。

b) 构架构件及节点发生中度损伤时并复原修复后，还需对构件采用粘贴纤维复合材料法、预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层加固法、FRP网格-外加聚合物砂浆面层加固法或绕丝加固法进行加固处理，对节点采取粘贴纤维复合材料法、增大截面法或粘贴钢板法进行加固处理。

c) 构架构件及节点发生严重损伤时并复原修复后，还需对构件采用置换混凝土法、增大截面法、粘贴钢板法、粘贴维复合材料法、预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层加固法、FRP网格-外加聚合物砂浆面层加固法、绕丝加固法、外贴预制装配式构件加固法或预应力高强钢丝绳加固法等进行加固处理；对构件节点采用粘贴钢板法、置换混凝土法或增大截面法进行加固处理。

5　结束语

本文针对变电站老旧钢筋混凝土构架的现有问题，结合了现有和新型的加固方案，提出了变电站构架整体加固思路设计，先后分为复原修复处理和加固方案确定。根据不同的构架缺陷提出相应的修复措施，并发挥各个加固方法的优势，使得变电站老旧钢筋混凝土构架的加固更加有效、迅速。

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(编辑王夏慧)

Reinforcement Design and Research on Old Concrete Structure in Substation

LI Wensheng1, CHEN Shizhi2, NIE Ming1, XU Xinyi2, ZHAN Qinghua1, LIU Hao1

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

Taking old concrete structure in the substation for a research object, this paper summarizes existing problems of old concrete structure and related causes. It concludes and analyzes existing reinforcement methods suitable for problematic frameworks, and proposes several kinds of new reinforcement methods of better application prospect. Combining with superiority and inferiority of exiting reinforcement technologies and the new technology as well as different feasibilities, it presents an overall reinforcement method for old concrete structure according to practical requirements, which can greatly improve reliability and service life of the substation.

concrete structure in substation; disease and causes; new reinforcement method; reinforcement design

2016-03-13

2016-05-17

中国南方电网有限责任公司科技项目(GDKJ00000030)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.009

TV223.34

B

1007-290X(2016)09-0043-05

李文胜(1984)，男，湖南湘乡人。高级工程师，工学博士，从事电网金属监督和结构工程工作。

陈适之(1993)，男，陕西西安人。在读工学博士，主要研究方向为结构健康监测。

聂铭(1973)，男，湖南涟源人。教授级高级工程师，工学硕士，从事电力系统金属监督和结构分析工作。